Controle Automático Processos Cap I

7/25/2019 Controle Automtico Processos Cap I

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FUNDAMENTOS DO CONTROLE AUTOMTICO

FUNDAMENTOS DE CONTROLEFUNDAMENTOS DE CONTROLE


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Fundamentos de controle80 h

20 encontros

HORRIO

MANH07:30 s 11:30 h - 7:45 h

HORRIO

NOITE18:00 s 22:00 h / 18:20 / 19:40 Aa 20:00 / 21:45

Jadson Rezende3287 8324 - [email protected]


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CONCEITOS BSICOS DE CONTROLE DE PROCESSOS

CONCEITO DE PROCESSO

VARIVEIS DO PROCES

ESTABILIDADE DO PROCESSO

ESTRATGIAS DE CONTROLE

CONTROLADOR

MODOS DE CONTROLE

CONTROLE DAS VARIVEIS

SINTONIA DO CONTROLADOR

CONTROLE MULTIVARIVEL


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CONTROLE MANUAL CONTROLE AUTOMTICO


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FUNDAMENTOS DE CONTROLE

Controle: Noo IntuitivaManter um carro na estrada

monitora-se:a trajetria/ velocidade/ trfegoatua-se:sobre volante/ acelerador/ freiocontrola-se:a trajetria

segurana:guard-rails/ muretas

monitora-se:o saldo bancrioatua-se:sobre desembolsoscontrola-se:o oramentosegurana:poupana?

Controle de oramento


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Controle: Noo IntuitivaTomar uma ducha quente

monitora-se:temperatura/ vazo da guaatua-se:sobre as torneirascontrola-se:a temperatura (e vazo, se der)segurana:box maior que o jato da ducha


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FUNDAMENTOS DO CONTROLE AUTOMTICOFUNDAMENTOS DE CONTROLE

SISTEMAS NATURALMENTE INSTAVEIS

AO DE CONTROLE


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FUNDAMENTOS DO CONTROLE AUTOMTICOFUNDAMENTOS DE CONTROLEFUNDAMENTOS DE CONTROLE

Controle: Noo Intuitiva

O objetivo de todos atingir a estabilidade: Finanas: Riqueza

Processos: Estado Estacionrio


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Otimizar o desempenho do processo


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CONTROLE AUTOMTICO - CONTROLAR

Aumento do nvel de qualidade dos produtos;

Minimizao as necessidade de reprocessamento;

Aumento da confiabilidade dos sistemas;

Aumento do nvel de segurana da unidade;

Liberao do operador de uma srie de atividades manuais erepetitivas.

Manter algo num valor desejado, Estabilidade;

Ter domnio sobre algo atravs da manipulao de outro;


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Controle de Processo

Sistema de controle manual

Malha Aberta

Controle realimentadomanualmente

Controle realimentadoautomaticamente

Sistema de controle automtico

Malha Fechada


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Controle AutomticoControle Manual


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Os 4 componentes bsicos de um sistema decontrole:

SensorElemento primrio da malha de controle; TransmissorElemento secundrio da malha decontrole;

ControladorElemento que comanda a malha;

Elemento final de controlevlvula de controle, bombadosadora, etc.

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Definies e Conceitos Bsicos


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TransmissorSensor de Nvel

Controlador

Elemento Final de Controle



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Caracterstica Controle ManualVALOR

DESEJADO(SET-POINT)

O contr ole manualno permite a eliminao do erro, resultando

em uma amplitude de variao excessiva do valor da varivel

que se deseja controlar

TEMPO

DESVIO

0

+

-

VALOROBTIDO

ERRO


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DESEMPENHO DO CONTROLE EM MALHA ABERTA


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O controle automticopermite atravs de sua ao a reduo do

erro, com um tempo de atuao igualar o SP a VC, praticamente

impossveis de se obter no controle manual.

TEMPO

DESVIO

0

+

-

VALOROBTIDO

VALORDESEJADO

(SET-POINT)

ERRO

Caracterstica Controle Automtico


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DESEMPENHO DO CONTROLE EM MALHA FECHADA


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CONTROLE REGULATRIO

O set-point (valor desejado) fixo


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CONTROLE SERVO

O set-point segue uma trajetria


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DefiniesProcesso Varivel

Controlada

Set-point

Meio Controlado

desvio, (Erro)

Agente de ControleVarivel Manipulada

Elemento Final de Controle

Pertubaes ou

Disturbios

ControladorIntertravamento


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Sistemas monovariveis e multivariveisSISOSingle Input Single Output

MISOMultiple Input Single OutputSIMOSingle Input Multiple Output

MIMOMultiple Input Multiple Output



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Processo - Bomba, Tanque e tubulaes

Variveis envolvidas:

- A vazo de entrada QE

- A vazo de sada QS

- O Nvel do tanque L

- Variveis de entrada

QS

QEL

VARIVEIS

PERTUBADORAS

VARIVEL

CONTROLADA

- Variveis de sada


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Processo Monovarivel e Instrumentao


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Processo Multivarivel

Variveis controladas:

- Nvel Ldo Tanque

- Temperatura TS de sada

Variveis reguladoras:

- Vazo QEde entrada- Tenso Ude alimentao daresistncia

Variveis pertubadoras:

- Temperatura TEde entrada- Vazo QS de sadaQS

QE L

TS

TE

U

QS

QE L

TS

TE

U


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Programa

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Conhecer dinmicas tpicas de sistemas.

Identificar os parmetros relevantes parasistemas dinmicos.

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Dinmica de Sistemas

Para se controlar um sistema preciso, dentre outras coisas,conhecer como ele se comporta.

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Dificilmente um sistema permanecer funcionando um numvalor fixo sem que haja a interveno de um controlador.

Da mesma forma, ele no mudar o ponto de operao paraum novo valor desejado sem que haja uma interveno externabem dimensionada (em amplitude e tempo).


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Para controle de processos, conhecer apenas o pontoou a faixa operacional (setpoint) nem sempre osuficiente.

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A velocidade com que o nvel de um tanque sobe mesmo

independente do formato do tanque?

O tempo que um processo leva para atingir um novo estadooperacional importante?

Quanto tempo a presso do vapor numa caldeira deve levar para seelevar de 40 para 42 kgf/cm2? 1 min? 10 min? 1h?

O tempo para elevar a presso de 40 para 42 kgf/cm2 o mesmopara reduzir de 42 para 40 kgf/cm2?

Dinmica de Sistemas

E E

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Todos os sistemas respondem com umadeterminada dinmica!

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Dinmica se refere como uma determinada varivel se

comporta ao longo do tempo.

Sistemas Rpidos Dinmica Rpida

Sistemas eltricos: milissegundos

Sistemas mecnicos/qumicos: segundos.

Sistemas LentosDinmica Lenta

Sistemas mecnicos/qumicos: minutos, horas, dias...

Dinmica de Sistemas

FUND MENTO DO CONTROLE UTOMT CO


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Atrasos de Tempo do Processo1. Capacitncia/Capacidade (Volume)

Tanque A

Vol = 100 m3

Capac = 100/8 = 12,5 m3/m

Tanque B

Vol = 100 m3

Capac = 100/4 = 25 m3/m

O Tanque A tem MENOR capacitncia que o Tanque B.

Dinmica de Sistemas


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31

0

1

2

3

4

5

6

7

0 10 20 30 40 50

Tempo [s]

X

tau = 1 s

tau = 5 s

tau = 10 s

A dinmica (mais lenta ou mais rpida) de um sistema depende da suaCAPACITNCIA .

A CAPACITNCIA est relacionada com a CAPACIDADE de um sistemaabsorver variao no processo.

Dinmica de Sistemas



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Efeito combinado entre capacitncia e resistncia produz umtempo de retardo na transferncia entre capacitncias (RC)chamado atrasoentre capacitncias)

Dinmica de SistemasAtrasos de Tempo do Processo

2. Resistncia



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Funo de Transf. de Primeira Ordem (FTPO)

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- Constante de Tempo ( )- o tempo em que o processo comea a responder

aos distrbios at atingir 63,2% do valor de regime.

Funo deTransferncia arepresentao matemtica da

relao entre a entrada e a

sada de um sistema.



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FUNDAMENTOS DO CONTROLE AUTOMTICOFUNDAMENTOS DE CONTROLE 34

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Tempo

Y

3

1

2

321


Resposta degrau unitrio

Prof. Yuri Guerrieri



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Chama

Parede fina ematerial bomcondutor



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Processo MONOCAPACITIVO1 ordem

O sistema responde com mxima velocidade no

instante inicial e mnima no instante final.

Funo de Transf. de Primeira Ordem (FTPO)Resposta degrau unitrio


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o tempo transcorrido entre o aparecimento do distrbio e oinicio da resposta do sistema de controle.

Atrasos de Tempo do Processo

3. Tempo Morto

Dinmica de Sistemas



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Funo de Transf. de Primeira Ordem com TempoMorto (FTPOTM)Resposta degrau unitrio

O atraso de tempo conhecido como TEMPOMORTO.


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Atrasos de Tempo no Sistema de Controle

Atrasos nos meios de Medio Atrasos de Transmisso Atrasos de Condicionamento do Sinal Atrasos na Computao Atrasos do Elemento Final de Controle



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Funo de Transf. de Primeira Ordem comTempo Morto (FTPOTM)



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Funo de Transf. de Segunda Ordem (FTSO)


A parede metlica no fundodo tanque promove umaRESITNCIA transfernciade calor


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Funo de Transf. de Segunda Ordem (FTSO)


42

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 5 10 15 20 25 30 35 40

kp = 1x= 1

= 0.5

= 5

= 2

= 1= 1

= 3

= 2

= 0,5



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Funo de Transf. de Primeira Ordem (FTPO)Resposta degrau unitrioProcesso MULTICAPACITIVO2 ordem

O sistema inicia com uma resposta lenta, tendo um

aumento na sua velocidade no meio da curva.


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Efeito do tempo morto em processo multi capacitivoSistema Monocapacitivo

1 ordem

Sistema Multicapacitivo2 ordem

Caso a medio datemperatura seja feita noponto B, o sistema passaa ser de 2 ordem comtempo morto.



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Estabilidade do processo

A estabilidade to importante como a controlabilidadedo processo.Se o sistema no estvel, no usvel.

Amortecimento do processo:

1. Superamortecido

2. Criticamente Amortecido3. Subamortecido4. Instvel

Condies de estabilidade



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Condies de estabilidade

- O ganho total da malha deve ser menor que 1

- O ngulo de fase da ao corretiva for igual a 180

1T

G1=

TG1TG

PCKTVCPICYTEPPT GGGGGGGGGGGG ........

/ ==

Margem de ganho



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t0 t1 t2 t3

PV0

PV1

MV0

MV1

MV

PV

MV

PV

PROCESSOS ESTVEIS (Resposta a um degrau)

REGIME

ESTVEL

REGIME

TRANSITRIO

REGIME

ESTVEL

MV

PVGP

=

= TEMPO MORTO

= TEMPO CARACTERSTICO

So processos que respondem

de forma LIMITADA para umadada entrada LIMITADA.

Entrada Degrau (limitada)

Sistema responde de forma ESTVEL.

Exemplos:Temperatura dos pratos de umacoluna de destilaoConcentrao num reatorPresso num vaso, etc..

63,2%

5% do PV


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Conhecer os parmetros do SISTEMA importante, pois a partir deleque possvel se determinar os parmetros do CONTROLADOR.

Tempo Caracterstico

Tempo Morto

PROCESSOS ESTVEIS (Resposta a um degrau)



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t0 t1

PV0

MV0

MV1

MV

PV

MV

REGIME

ESTVEL

PV

T

TMV

PVK

=

.

K = COEFICIENTE CARACTERSTICODO PROCESSO

PROCESSOS INSTVEIS (Resposta a um degrau)

= TEMPO MORTO

Entrada Degrau (limitada)

So processos que respondem de

forma ILIMITADA para uma dadaentrada LIMITADA.

Sistema INTEGRADOR COMTEMPO MORTO.

Exemplos:Comportamento tpico de NVEL.Temperatura de alguns reatores.


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FUND MEN OS DO ON OLE U OM OFUNDAMENTOS DE CONTROLE

Sistema Integrador com Tempo Morto

Conhecer os parmetros do SISTEMA importante, pois a partir deleque possvel se determinar os parmetros do CONTROLADOR.



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Dinmica de Sistemas Lineares

Sistemas Lineares respondemde forma simtricas paraentradas e direes opostas.

Eles podem ser ditos como

SISTEMAS IDEAIS pois naREALIDADE os sistemas soNO-LINEARES.

Sistemas No-Linearesrespondem de forma

ASSIMTRICA, seja nacomportamento DINMICOS ouESTACIONRIO (ou emambos).

Resposta para entrada DEGRAUcom mesma amplitude masem SENTIDOS OPOSTOS.


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Dificilmente um sistema real tem o comportamento linear. Para fins de aplicao, os sistemas REAIS podem ser

aproximados a sistemas lineares.

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0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20 25 30 35

Tempo

Y_L

X

O sistema se comporta

da mesma maneiraquando submetidos entradas com a mesmadimenso.

Dinmica de Sistemas Lineares


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Dinmica de Sistemas No-Lineares Sistemas REAIS so No-Lineares.

Para entradas com amesma dimenso oprocesso se comporta demaneiras distintas

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

0 5 10 15 20 25 30 35

Tempo

Y_NL

X Sistemas No-Linearesse comportam de formadiferente para entradasde mesma dimenso.



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Controle em Malha Fechada

- Excesso de Correo



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Tipos de Distrbios

- Distrbios de alimentao

- Distrbios de demanda

- Distrbios de set-point

Quanto ao formato da onda

- Tipo degrau

- Tipo rampa

- Tipo senoidal

- Tipo pulsos

- Tipo aleatrio



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Diagrama de Blocos

Elementos do Controle Automtico

Medio

Comparao

Computao

AtuaoFUNES

BSICAS DOCONTROLE



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Controlador- Analgico Pneumtico



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Controlador

- Analgico Pneumtico



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Controlador




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Controlador


SP

PV

MV

PROPORCIONAL

INTEGRAL



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SP

PV

MV

PROPORCIONAL

INTEGRAL




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Controlador





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Controlador

- Analgico Eletrnico




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Controlador- Digital - CLP




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Controlador

- Digital - CLP




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- Digital

Controlador




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DIAGRAMA DO CD600

AI001

PID043

A/M035

CO009

L/R031

PV

MV

SP

2B

A

C

D

A55

40

39A

225 FV027

SP

A

B

C

PV

MV

AI002

4A

SPRD




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- DigitalControlador

- Digital




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Controlador - Digital




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Tipos Gerais de Configuraes

Configurao de Controle por Realimentaonegativa (ou Feed-back)

Configurao de Controle Antecipativo (ouFeed-forward)

Configurao de Controle Inferencial (ou comestimador de estados e propriedades)

Obs.: As Configuraes no soexcludentes




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Configurao de Controle por

Realimentao (Feed-Back)

Entradas


FUNDAMENTOS DE CONTROLE74


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Configurao de Controle por

Realimentao (Feed-Back)




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Essa configurao usa uma medio direta davarivel controlada para ajustar o valor davarivel manipulada em um valor desejado

(setpoint)

75Configurao de Controle porRealimentao (Feed-Back)




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(um controladorrecebe o sinal de um

outro controlador)

Controle Cascata

Configurao de Controle por Realimentao

(Feed-Back)




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(Feed-Back)




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(Feed-Back)




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Configurao de Controle Antecipativo (Feed-

Forward)

Variveis de Sada

Perturbaes (medidas)




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Variveis de Sada


Forward)




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U OS CO O

Usa uma medio direta da perturbao para

ajustar o valor da varivel manipulada. Oobjetivo manter a varivel de sadacontrolada em um nvel desejado (setpoint)


Forward)




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Feed-backFeed-forward


Forward)




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Configurao de Controle Inferencial83




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Configurao de Controle Inferencial




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PV

MV



FUNDAMENTOS DE CONTROLE 86


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Esta configurao usa uma medio inferida/calculada(porque a varivel controlada no pode ser medida) paraajustar o valor da varivel manipulada. O objetivo manter a varivel controlada (no medida) em um nvel

desejado (setpoint).

O estimador usa o valor das sadas e entradas medidasdisponveis para calcular matematicamente (estimar), coma ajuda de um modelo de processo, o valor da varivelcontrolada no medida. Esta estimativa usada pelocontrolador para ajustar o valor da varivel manipulada.





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- Classificao das VariveisControladas

1Taxa de Produo

Vazo de Vapor

2Qualidade do Produto

Temperatura do Vapor

3Estoque

Nvel e Presso do vapor

4Meio Ambiente

Presso da Fornalha ouPresso da exausto

5Economia

Composio do gs dachamin

12

3

4

5



INTERVALO DE ATUAAO ESCALA DE TEMPO


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Controle Bsico: vazo, presso...Seg

Controle Avanado: FF, MPC... Min

Otimizao (RTO) Horas

Programao de

Produo Dias

Planejamento deProduo Semanas

MesesPlanejamentoTtico

AnosPlanejamentoEstratgico

TCNICA / METODOLOGIA

INTERVALO DE ATUAAOESCALA DE TEMPO




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Programa

Noo intuitiva Definies e conceitos bsicos

Porque usar controle nos processos? Como projetar um sistema de controle? Um pouco de histria...e futuro. Controle e o processo produtivo




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JADSON REZENDE

Resumindo, se a refernciado sistema realimentado

constante, o sistema atuacomo um regulador.

Se a referncia do sistema

realimentado varia, osistema atua como umservo-mecanismo.

Controle Supervisrio e Regulatrio




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JADSON REZENDE

Controle Manual




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http://www.mecatronicaatual.com.br/educacao/951-tipos-de-malha-de-controle-de-processos-industriais




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Documents

Controle Automático Processos Cap I